Refrigeración activa - Active cooling
El enfriamiento activo es un mecanismo de reducción de calor que se implementa típicamente en dispositivos electrónicos y edificios interiores para garantizar una transferencia y circulación de calor adecuadas desde el interior.
A diferencia de su contraparte de enfriamiento pasivo , el enfriamiento activo depende completamente del consumo de energía para funcionar. Utiliza varios sistemas mecánicos que consumen energía para disipar el calor. Se implementa comúnmente en sistemas que no pueden mantener su temperatura a través de medios pasivos. Los sistemas de enfriamiento activo generalmente se alimentan mediante el uso de electricidad o energía térmica, pero es posible que algunos sistemas funcionen con energía solar o incluso con energía hidroeléctrica. Deben estar bien mantenidos y ser sostenibles para que puedan realizar sus tareas necesarias o podría ocurrir la posibilidad de daños dentro de los objetos. Varias aplicaciones de los sistemas de enfriamiento activo comerciales incluyen acondicionadores de aire para interiores, ventiladores de computadora y bombas de calor.
Uso del edificio
Muchos edificios requieren altas demandas de refrigeración y hasta 27 de las 50 áreas metropolitanas más grandes del mundo están ubicadas en áreas de clima cálido o tropical. Con esto, los ingenieros deben establecer el balance de calor para asegurar una ventilación adecuada en toda la estructura.
La ecuación del balance de calor se da como:
donde es la densidad del aire, es la capacidad calorífica específica del aire a presión constante, es la tasa de transferencia de calor , es la ganancia de calor interna, es la transferencia de calor a través de la envolvente, es la ganancia / pérdida de calor entre el aire interior y exterior, y es la transferencia de calor mecánica.
Con esto, se puede determinar la cantidad de enfriamiento que se requiere dentro de la infraestructura.
Hay tres sistemas de enfriamiento activo que se usan comúnmente en los sectores residenciales:
Aficionados
Un ventilador es de tres a cuatro aspas giradas por un motor eléctrico a una velocidad constante. A lo largo de la rotación, se produce un flujo de aire y el entorno se enfría mediante el proceso de transferencia de calor por convección forzada. Debido a su precio relativamente bajo, es el más utilizado de los tres sistemas de enfriamiento activo en el sector residencial.
Bombas de calor
Una bomba de calor utiliza electricidad para extraer calor de un área fría a un área cálida, lo que hace que la temperatura del área fría baje y la del área cálida aumente.
Hay dos tipos de bombas de calor:
Bombas de calor de compresión
Siendo la variante más popular de las dos, las bombas de calor de compresión funcionan mediante el uso del ciclo de refrigerante. El refrigerante de vapor en el aire se comprime mientras aumenta la temperatura, creando un vapor sobrecalentado. El vapor luego pasa por un condensador y se convierte en una forma líquida, disipando más calor en el proceso. Viajando a través de la válvula de expansión, el refrigerante líquido forma una mezcla de líquido y vapor. A medida que pasa por el evaporador, se forma vapor refrigerante y se expulsa al aire, repitiendo el ciclo de refrigerante.
Bombas de calor de absorción
El proceso de la bomba de calor de absorción funciona de manera similar a la variante de compresión, con el principal contraste en el uso de un absorbedor en lugar de un compresor. El absorbedor toma el refrigerante de vapor y crea una forma líquida que luego viaja a la bomba de líquido para convertirse en vapor sobrecalentado. La bomba de calor de absorción utiliza electricidad y calor para su funcionalidad en comparación con las bombas de calor de compresión que solo usan electricidad.
Enfriadores evaporativos
Un enfriador evaporativo absorbe el aire exterior y lo pasa a través de almohadillas saturadas de agua, bajando la temperatura del aire a través de la evaporación del agua.
Se puede dividir por:
Directo
Este método evapora el agua que luego viajaría directamente a la corriente de aire, produciendo una pequeña forma de humedad. Por lo general, requiere una cantidad decente de consumo de agua para bajar adecuadamente la temperatura del área circundante.
Indirecto
Este método evapora el agua en una segunda corriente de aire y luego la pone a través de un intercambiador de calor, bajando la temperatura de la corriente de aire principal sin agregar humedad. En comparación con los enfriadores evaporativos directos, requiere mucho menos consumo de agua para funcionar y bajar la temperatura.
Otras aplicaciones
Además del uso comercial normal del enfriamiento activo, los investigadores también están buscando formas de mejorar la implementación del enfriamiento activo en diversas tecnologías.
Generador termoeléctrico (TEG)
El generador termoeléctrico , o TEG, es una fuente de energía con la que se ha experimentado recientemente para probar su viabilidad para mantener el enfriamiento activo. Es un dispositivo que utiliza el efecto Seebeck para convertir la energía térmica en energía eléctrica. Las aplicaciones de la fuente de energía se encuentran más comúnmente en tecnologías que requieren alta potencia. Los ejemplos incluyen sondas espaciales, aviones y automóviles.
En una investigación de 2019, se probó la viabilidad del enfriamiento activo TEG. La prueba se aplicó en una Raspberry PI3 , una pequeña computadora de una sola placa, equipada con un ventilador alimentado por TEG y se comparó con otro alimentado por un enfriador pasivo comercial. A lo largo de la investigación, se observaron y registraron el voltaje, la potencia y la temperatura en ambos PI de Raspberry. Los datos mostraron que a lo largo de la prueba de referencia, la Raspberry PI3 con tecnología TEG se estabilizó a una temperatura unos Celsius más baja que la Raspberry PI3 de enfriamiento pasivo. También se analizó la energía producida por el TEG para medir la posibilidad de que el ventilador tenga capacidades autosostenibles. Actualmente, usar solo TEG para alimentar el ventilador no es suficiente para ser completamente autosostenible porque carece de energía suficiente para el arranque inicial del ventilador. Pero, con la implementación de un acumulador de energía, sería posible.
La generación de energía de TEG se da como:
donde es la potencia generada por TEG, es la resistencia térmica y es la temperatura de TEG.
Basado en el resultado, se ha demostrado que el enfriamiento activo del generador termoeléctrico disminuye y mantiene de manera efectiva temperaturas que son comparables al uso comercial de enfriadores pasivos.
Enfriamiento activo de inmersión cercana (NIAC)
Near Immersion Active Cooling, o NIAC, es una técnica de gestión térmica que se ha investigado recientemente en un esfuerzo por reducir la cantidad de acumulación de calor generada por Wire + Arc Additive Manufacturing, o WAAM (una tecnología de impresión de metal 3-D).
En un experimento de 2020, los investigadores querían descubrir la viabilidad de usar el NIAC y probar sus capacidades de enfriamiento. El NIAC utilizó un líquido refrigerante que rodea al WAAM dentro de un tanque de trabajo y aumentó el nivel del agua cuando se deposita metal. El contacto directo con el líquido permite una rápida extracción de calor del WAAM, disminuyendo la temperatura en una cantidad significativa. El experimento comparó la eficacia de la mitigación de la temperatura generada por el WAAM entre el enfriamiento natural, el enfriamiento pasivo y el enfriamiento activo por inmersión casi total. El enfriamiento natural usa aire, el enfriamiento pasivo usa un líquido refrigerante que permanece en un nivel fijo y el NIAC usa un líquido refrigerante que se eleva en función de las acciones del WAAM.
Se utilizaron las siguientes pruebas para medir la viabilidad del uso de NIAC: análisis térmico , calidad geométrica, evaluación de la porosidad y propiedades mecánicas. En el análisis térmico, hubo una disparidad significativa de calor entre el NIAC y los otros tipos de enfriamiento, y el NIAC enfrió la tecnología a un ritmo mucho más rápido. Por la calidad geométrica de las paredes, NIAC tenía la pared más delgada y alta que muestra la durabilidad del WAAM cuando se usa enfriamiento activo. La evaluación de la porosidad mostró que el enfriamiento activo contenía el nivel de porosidad más bajo. Un alto nivel de porosidad induce el riesgo de las propiedades mecánicas de WAAM. El NIAC tiende a igualar las propiedades mecánicas, lo que conduce a mejores propiedades, en contraste con el enfriamiento natural y pasivo. A través de estas pruebas, se ha determinado que el uso de NIAC es una posibilidad válida y es comparable a los métodos de enfriamiento convencionales como el enfriamiento pasivo y natural.
Comparación con la refrigeración pasiva
El enfriamiento activo generalmente se compara con el enfriamiento pasivo en diversas situaciones para determinar cuál proporciona una forma de enfriamiento mejor y más eficiente. Ambos son viables en muchas situaciones, pero dependiendo de varios factores, uno podría ser más ventajoso que el otro.
Ventajas
Los sistemas de enfriamiento activos suelen ser mejores en términos de temperatura decreciente que los sistemas de enfriamiento pasivos. El enfriamiento pasivo no utiliza mucha energía para su funcionamiento, sino que aprovecha el enfriamiento natural, que tarda más en enfriarse durante un largo período de tiempo. La mayoría de la gente prefiere el uso de sistemas de enfriamiento activo en climas cálidos o tropicales que el enfriamiento pasivo debido a su efectividad para bajar la temperatura en un corto intervalo de tiempo. En tecnologías, ayuda a mantener las condiciones térmicas adecuadas, evitando el riesgo de daños o sobrecalentamiento de los sistemas operativos centrales. Es capaz de equilibrar mejor la generación de calor de la tecnología, manteniéndola de manera constante. Algunos sistemas de enfriamiento activo también contienen la posibilidad de ser autosostenibles como se muestra en la aplicación del generador termoeléctrico en comparación con el enfriamiento pasivo donde depende en gran medida de los medios naturales para operar.
Desventajas
Los problemas con el enfriamiento activo en comparación con el enfriamiento pasivo son principalmente los costos financieros y el consumo de energía. Debido al alto requerimiento de energía del enfriamiento activo, lo hace mucho menos eficiente en términos de energía y también menos rentable. En un entorno residencial, el enfriamiento activo generalmente consume una gran cantidad de energía para proporcionar suficiente enfriamiento en todo el edificio, lo que aumenta los costos financieros. Los ingenieros del edificio deberían tener en cuenta que un aumento en el consumo de energía también influiría negativamente en el clima global. En comparación con el enfriamiento activo, el enfriamiento pasivo se usa más en lugares con temperaturas medias o bajas.